DE19507977A1 - Verfahren und Anordnung zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren mit Abgaskatalysatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren, ins­ besondere Kraftfahrzeugmotoren, mit Abgaskatalysatoren.

Für die Einhaltung der heute gültigen Emissionsvorschriften nach der amerikanischen Testvorschrift FTP genügt die Einhal­ tung der Emissionsklassen TLEV und LEV (Transitional Low Emission Vehicles bzw. Low Emission Vehicles). Hierfür reicht es aus, z. B. einen Ottomotor mit einer gut funktionierenden Luftmeßeinrichtung und einer präzisen Kraftstoffeinspritzung im Zusammenhang mit einem Abgaskatalysator zu betreiben. Die Abgasvorschriften werden jedoch ständig verschärft, so daß für die Einhaltung künftiger Vorschriften, beispielsweise die Emissionsklassen ULEV und NZEV (Ultra Low Emission Vehicles bzw. Near Zero Emission Vehicles) weitere Verbesserungen er­ forderlich sind. Das Gleiche gilt für die Europäische Norm EG III.

Dem Stand der Technik entsprechend werden für die Einhaltung dieser Vorschriften die Motoren weiter verbessert und die Ab­ gaskatalysatoren mit elektrischer Beheizung beim Kaltstart ausgestattet, sowie mit einem wärmeisolierten Abgasrohr zwi­ schen Motor und Katalysator, weil die Möglichkeiten zur Ver­ besserung der Abgaswerte vor allem in der Reduzierung der hohen Abgasemissionen beim Kaltstart zu suchen sind, die dar­ auf beruhen, daß der Katalysator noch nicht die für seine Funktion erforderliche Betriebstemperatur erreicht hat. Ka­ talysatorheizungen mittels Kraftstoffbrennern sind ebenso in der Diskussion wie HC-Fallen, die bei kaltem Motor die Koh­ lenwasserstoffe auffangen und zwischenlagern, bis Motor und Katalysator betriebsbereit sind. Dem elektrisch beheizten Katalysator werden jedoch die größten Chancen für die Zukunft eingeräumt.

Die Probleme des elektrisch beheizten Katalysators und ande­ rer Maßnahmen werden durch die grundlegenden Eigenschaften von Verbrennungsmotoren und Abgaskatalysatoren verursacht. Alle Verbrennungsmotoren emittieren beim Kaltstart, bis sie den betriebswarmen Zustand erreicht haben, große Mengen von Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxyden, weil die Verbrennung sehr schlecht ist. Außerdem wird dem Motor zum Zwecke der Start- und Warmlauffähigkeit ein Überangebot an Kraftstoff zugeführt. Dies verursacht einen Konflikt mit den heute ge­ bräuchlichen 3-Wege-Katalysatoren - so genannt, weil sie für die Konvertierung der drei Schadstoffe HC, CO und NO_x ausge­ legt sind - die nur dann voll wirksam sind, wenn ein stöchio­ metrisches Kraftstoff/Luft-Verhältnis existiert. Einerseits können HC und CO nur dann vollkommen verbrennen, wenn genü­ gend Luftsauerstoff vorhanden ist, andererseits nimmt die NO_x-Bildung stark zu, wenn Überschuß an O₂ herrscht. Die Kraftstoffüberfettung verschärft außerdem die Bildung von HC- und CO-Spitzen, die infolge von transienten Gemischänderungen bei der Getriebeschaltung bzw. bei den damit verbundenen Drehzahlsprüngen des Motors entstehen. Die Kraftstoffanfet­ tung erhöht außerdem den Kraftstoffverbrauch insbesondere im Nahverkehr. Gleichzeitig sind die Katalysatoren beim Kalt­ start kalt und deshalb nicht wirksam.

Der FTP-Test besteht aus drei Abschnitten oder bags, nämlich

• - bag 1: Kaltstart und Warmlauf,
• - bag 2: Betrieb im warmen Zustand von Motor und Kata­ lysator und
• - bag 3: Wiederstart des Motors 10 min nach Beendigung von bag 2. Hierbei ist der Katalysator stark und der Motor nur mäßig abgekühlt.

Bag 1 beginnt mit dem Kaltstart des Motors, der von einem 20 s dauernden Leerlauf gefolgt wird, worauf der Motor das Fahr­ zeug beschleunigt und dabei eine sehr hohe HC- und CO-Emis­ sionsspitze erzeugt. Weitere solche Emissionsspitzen folgen jeweils durch Beschleunigungen und Schaltvorgänge zwischen Motor und Getriebe.

Während der ersten 20 s des Leerlauf s sind die Emissionen nicht bedeutsam. Deshalb wird diese Zeit genutzt, um den Katalysator z. B. elektrisch zu beheizen, so daß die kataly­ tischen Wirkungsflächen bereits ihre ausreichende Wirkungs­ temperatur von ca. 300-400°C erreicht haben, wenn die er­ ste hohe Emissionsspitze 20 s nach dem Kaltstart beginnt. Für die Beheizung des Katalysators sind hierbei 10-20 Kw elek­ trischer Leistung erforderlich. Für diese Leistung ist eine verstärkte Fahrzeugbatterie oder sogar eine zusätzliche Bat­ terie erforderlich und ein verstärkter Stromgenerator, um die Batterie baldmöglichst zu beladen. Hierdurch werden hohe Ko­ sten und Gewichte verursacht. Wegen dieses hohen technischen und finanziellen Aufwands wird der Katalysator nur beim Kalt­ start beheizt, nicht aber beim Warmstart in bag 3, wo dies von der Emissionsseite her auch sinnvoll wäre, weil der Kata­ lysator in den 10 min Pause abkühlt. Auch bei im realen Fahr­ verkehr häufig vorkommenden Fahrtunterbrechungen oder Fahr­ situationen mit Wärmedefizit oder Umgebungstemperaturen, die üblicherweise weit unter den Testtemperaturen des FTP-Tests von 20°C liegen, wäre ein Wiederstart der Katalysatorbehei­ zung sinnvoll. Die realen Umgebungstemperaturen sind deshalb interessant, weil die schädlichen Abgasemissionen von Kraft­ fahrzeugen mit niedriger Umgebungstemperatur stark zunehmen.

Um nun den Aufwand für die elektrische Heizung des Katalysa­ tors so gering wie möglich zu halten, versucht man, den Kata­ lysator so weit wie möglich dem Motor zu nähern und die Wär­ meverluste der Abgase in der Abgasleitung zu reduzieren. Die Einführung von wärmeisolierten Abgasleitungen zwischen Motor und Katalysator, wie beispielsweise die Verwendung eines dünnwandigen inneren Rohrs, das durch einen engen Luftspalt von einem äußeren, stärkeren Abgasrohr umgeben wird, geht in dieselbe Richtung. Mit beiden Maßnahmen kommt man jedoch in Konflikt mit Betriebssituationen, in denen ein Wärmeüberschuß besteht, wo nämlich die Abgase zu heiß für den Katalysator sind und dadurch thermisch bedingte Alterung der katalyti­ schen Flächen verursachen. Durch lange Vollastfahrten auf der Autobahn oder bei langen Steigungen in gebirgigen Gegenden werden auch Totalschäden durch Überhitzung verursacht. Es sind sogar Entwicklungen im Gange, solche Wärmeschäden in nicht regulierten, also realen Betriebszuständen zu vermei­ den, indem ein Überschuß an Kraftstoff zur Kühlung des Kata­ lysators eingespritzt wird. Auf diese Weise wird der Sinn des Katalysators verkehrt und außerdem Kraftstoff vergeudet.

Die effektivste Maßnahme gegen thermische Schäden des Kataly­ sators ist, den Katalysator weiter vom Motor zu entfernen, so daß die Abgase auf dem Weg zwischen Motor und Katalysator genügend abkühlen. Dies ist aber gerade dem Wunsch entgegen­ gesetzt, bei Betriebszuständen mit Wärmemangel den Katalysa­ tor motornah anzuordnen.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, bei Wärmemangel die Ab­ gase dem Katalysator mit möglichst hoher Temperatur zuzulei­ ten, vorzugsweise mit einer Temperatur über der katalytischen Wirkungstemperatur von ca. 400°C, um spätestens mit Beginn der ersten Emissionsspitze 20 s nach dem Kaltstart im US-Test bzw. nach 11 s im EG-III-Test bereits einen voll wirksamen Katalysator zur Verfügung zu haben und in Betriebszuständen mit Wärmeüberschuß die Abgase dem Katalysator mit möglichst niedriger Temperatur zuzuführen, vorzugsweise mit einer Tem­ peratur unter 700°C, um den Katalysator vor Wärmeschäden zu schützen. Weiter sollen diese Maßnahmen zuverlässig und ko­ stengünstig sein und möglichst wenig zusätzliches Gewicht erfordern.

Zusätzlich soll der Motor schneller aufgeheizt werden, um schneller Abgase mit erhöhter Temperatur zu erhalten, um die HC- und CO-Emissionen des Motors zu verringern, und um die Kraftstoffüberfettung früher auszuschalten bzw. die λ-Rege­ lung des Katalysators früher einzusetzen, die den stöchiome­ trischen Betrieb regelt. Weiter soll der Kraftstoffverbrauch und der Verbrauch an elektrischer Energie minimiert werden, und die Kabinenheizung soll zumindest nicht vermindert wer­ den.

Die schnelle Aufheizung des Motors soll nicht nur beim Kalt­ start möglich sein, sondern auch bei kurzzeitigen Unterbre­ chungen des Motorbetriebs.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem eingangs genannten Verfahren darin, daß zwischen Motor und Katalysator die Ab­ gase abhängig vom Betriebszustand des Systems auf hinsicht­ lich ihrer thermischen Rückwirkung auf die Abgase unter­ schiedlich gestalteten Leitungswegen geführt werden, wobei eine bevorzugte Ausführungsform darin besteht, daß bei Be­ triebszuständen mit Wärmemangel die Abgase zwischen Motor und Katalysator zumindest überwiegend ein Teillastrohr durchflie­ ßen, das zur Erzielung einer möglichst hohen Abgastemperatur am Katalysatoreintritt ausgelegt ist, und daß bei Betriebs­ zuständen mit Wärmeüberschuß die Abgase zwischen Motor und Katalysator zumindest überwiegend ein Vollastrohr durchflie­ ßen, dessen Erstreckung zwischen Motor und Katalysator und dessen Ausbildung derart ist, daß bei Vollast und maximaler Drehzahl die Temperatur der den Katalysator durchfließenden Abgase so niedrig ist, daß Wärmeschäden vermieden werden.

Das Teillastrohr kann dabei so eng ausgelegt sein, daß durch den Rückstau der Abgase eine Schnellaufheizung des Motors verursacht wird, wodurch die Abgastemperatur erhöht wird, die CO- und HC-Bildung abnimmt und der geregelte Katalysatorbe­ trieb früher möglich wird.

Eine solche Stauwirkung kann auch durch ein zusätzliches Stauventil bewirkt werden, oder der Motor kann z. B. durch einen Wärmespeicher in Sekundenschnelle aufgeheizt werden.

Die Bezeichnungen Teillastrohr und Vollastrohr sind zur ein­ fachen Unterscheidung mit Bezug auf relevante Betriebszustän­ de gewählt. Dabei wird unter Vollast ein Betriebszustand verstanden, dessen Abgastemperatur mindestens der Betriebs­ temperatur des Katalysators entspricht, während unter Teil­ last ein Betriebszustand verstanden wird, dessen Abgas- und Katalysatortemperatur niedriger ist als die Betriebstempera­ tur des Katalysators. Durch die Verwendung des Begriffs "Rohr" sollen weder andere zur Leitung von Gasen geeignete Leitungen, noch Leitungen ausgeschlossen werden, die mehr als ein Rohr umfassen.

Nach einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung durchströmen die Abgase entweder nur das Teillastrohr, oder das Teillast­ rohr und das Vollastrohr gemeinsam.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die das Teillastrohr durch­ fließenden Abgase über einen Vorkatalysator geführt werden.

Erfindungsgemäß besteht eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens darin, daß die Abgasleitung zwischen dem Verbren­ nungsmotor und dem Katalysator zumindest über einen Teil ih­ rer Länge in einem gegen Wärmeverluste abgeschirmten Teil­ lastrohr und eine im Wärmetausch mit der Umgebung stehendes Vollastrohr unterteilt ist und daß zur Steuerung der Beauf­ schlagung des Vollastrohrs und des Teillastrohrs mindestens ein in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Systems steu­ erbares Ventil vorgesehen ist.

Eine bevorzugte, raum- und kostensparende Ausführungsform be­ steht darin, daß das Teillastrohr im Inneren des Vollastrohrs verläuft, so daß bei Sperre des Vollastrohrs der Zwischenraum zwischen Teillastrohr und Vollastrohr als Isolierspalt wirkt.

Das Teillastrohr kann wärmeisoliert sein und sein Querschnitt kann auf die Besonderheiten des Betriebs mit Wärmedefizit ausgelegt und deshalb sehr klein sein im Vergleich zu dem Querschnitt für Vollast. Dies dient der Verkürzung der Ver­ weildauer der Abgase zwischen Motor und Katalysator, sowie der Reduzierung der wärmetauschenden Rohrfläche und damit der Minimierung der Wärmeverluste.

Die Abgasvolumina beim Betrieb mit Wärmedefizit sind wesent­ lich niedriger als bei Vollast. Sowohl die Motordrehzahl als auch die Abgastemperaturen sind wesentlich niedriger. Nimmt man z. B. für Betrieb mit Wärmemangel eine Leerlaufdrehzahl von n = 600 /min an, einen Lastfaktor von 1 = 0,3 und eine Abgastemperatur von t = 100°C und entsprechend für Vollast n = 6000, 1 = 1,2 und t = 900°C, so steigen die Abgasvolu­ mina bei Vollast gegenüber Leerlauf um den Faktor

6000/600×1,2/0,3×(900 + 273)/(100 + 273) ≈ 126.

Hieraus ergibt sich, daß der Fließquerschnitt des Teillast­ rohrs bezogen auf konstante Fließgeschwindigkeit der Abgase um den Faktor 10 bis 100 kleiner sein kann als der des Vol­ lastrohrs, je nach der Wahl der Umschaltbedingungen zwischen Teillast und Vollast hinsichtlich Menge und Temperatur der Abgase, Rückstau, etc.

Wegen des geringeren Durchmessers des Teillastrohrs kann die­ ses - wie bereits erwähnt - zumindest über einen Teil seiner Länge innerhalb des Vollastrohrs verlaufen.

Während bei niedrigen Abgastemperaturen das Abgas zur mög­ lichst vollständigen Nutzung seines Wärmeinhalts für die Auf­ heizung des Katalysators bzw. die Aufrechterhaltung der Kata­ lysatortemperatur zweckmäßigerweise nur über das Teillastrohr geführt wird, kann bei Vollast zusätzlich zum Vollastrohr gegebenenfalls auch der Querschnitt des Teillastrohrs für die Abführung des Abgases eingesetzt werden. Zur Steuerung des Abgasstroms ist es deshalb ausreichend, wenn nur das Vollast­ rohr durch das Ventil absperrbar ist. Eine vorteilhafte Aus­ gestaltung besteht dabei darin, daß das Ventil eine im Quer­ schnittsbereich eines Endes des Teillastrohrs angeordnete, in Schließstellung das Vollastrohr sperrende Ventilklappe um­ faßt, die eine in Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs freihaltende Durchbrechung aufweist.

Um auch im Bereich des Abgaskrümmers am Motor Wärmeverluste des Abgases bei Teillast zu vermeiden, besteht eine vorteil­ hafte Ausführungsform darin, daß das Teillastrohr motorseitig mit einem verzweigten Ende bis in die Verzweigungen des einen Abschnitt des Vollastrohrs bildenden Abgaskrümmers geführt ist und daß das Ventil am Auslaß des Teillastrohrs angeordnet ist.

Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform ist das Teillastrohr bis unmittelbar vor den Katalysator geführt, wodurch bei Teillastbetrieb nur ein Teil des Katalysatorquerschnitts vom Abgas durchströmt wird und sich dadurch schneller aufheizt. Dabei besteht eine bevorzugte Ausgestaltung darin, daß die Mündung des Teillastrohrs vor dem Katalysator erweitert ist, damit der angeströmte Teilquerschnitt des Katalysators nicht auf den gegebenenfalls sehr gering gehaltenen Querschnitt des Teillastrohrs beschränkt bleibt.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht auch darin, daß dem als Hauptkatalysator dienenden Katalysator stromauf ein Vor­ katalysator vorgeschaltet ist, dessen Abgase den Hauptkata­ lysator aufheizen, wobei vorzugsweise der Vorkatalysator im Strömungsweg der das Teillastrohr durchströmenden Abgase an­ geordnet ist. Durch diese Anordnung des Vorkatalysators kann dieser wärmeisoliert angeordnet werden, und er kann mit den hohen Geschwindigkeiten im Teillastrohr beaufschlagt werden, was die schnelle Beheizung der katalytischen Oberflächen be­ günstigt, ohne daß die Wärme zu schnell in das Trägermaterial eindringt. Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist der Vorkatalysator an das stromab gelegenen Ende des Teillast­ rohrs angeschlossen.

Die Stirnfläche des Vorkatalysators kann wesentlich geringer ausfallen als die Stirnfläche des Hauptkatalysators. Vorkata­ lysator und Hauptkatalysator können deshalb nach einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung so miteinander kombiniert werden, daß der Querschnitt des Hauptkatalysators das Vollastrohr ausfüllt und größer ist als der Querschnitt des Vorkatalysa­ tors, daß der Hauptkatalysator sich direkt an den Vorkataly­ sator anschließt, daß sich das Teillastrohr im Inneren des Vollastrohrs auf den Querschnitt des Vorkatalysators trich­ terförmig erweitert und vor dieser Erweiterung an seinem Um­ fang mit Durchbrechungen versehen ist. Auf diese Weise wird bei mittleren Volumenströmen durch das Teillastrohr vor der trichterförmigen Erweiterung eine Venturiwirkung entstehen, die Abgase vom Austritt aus dem Hauptkatalysator her ansaugt, so daß der Hauptkatalysator in seinen äußeren Lagen rückwärts durchströmt und aufgeheizt wird und diese Abgase dann wieder durch den Vorkatalysator und den inneren Teil des Hauptkata­ lysators weiterfließen.

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten weist vorzugsweise das Ma­ terial des Teillastrohrs eine geringe spezifische Wärmekapa­ zität auf. Eine weiterer diesem Zweck dienende Maßnahme be­ steht darin, daß das Teillastrohr sehr dünnwandig ausgebildet ist. Außerdem sollte das Teillastrohr möglichst eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, z. B. bei einer Ausfüh­ rung aus Edelstahl mit hohem Nickelanteil.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Un­ teransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschrei­ bung.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgassystems ei­ nes Verbrennungsmotors zur Erläuterung des Grund­ prinzips der Erfindung,

Fig. 2a den Abgaskrümmer eines Vierzylinder-Verbrennungsmo­ tors mit einem zu einem Katalysator führenden Ab­ gasrohr üblicher Bauart,

Fig. 2b ein das Abgasrohr nach Fig. 2a ersetzendes, erfin­ dungsgemäß gestaltetes Abgasrohr,

Fig. 2c eine der Fig. 2b ähnliche Darstellung mit einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform,

Fig. 3 eine Detailansicht einer Ausführungsform mit erwei­ terter Mündung des Teillastrohrs,

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung mit Vorkataly­ sator,

Fig. 5 eine weitere Variante ähnlich Fig. 4,

Fig. 6 eine andere Ausführungsform mit der Möglichkeit einer Rezirkulationsströmung über den Hauptkonver­ ter,

Fig. 7 ein Abgassystem ähnlich Fig. 2c mit einem dem Kata­ lysator nachgeschalteten Wärmetauscher,

Fig. 7a eine im Maßstab größere Detailansicht des Ventils zur Sperre des Vollastrohrs und

Fig. 8 eine Variante der schematischen Darstellung in Fig. 1 mit zu- und abschaltbarem Vorkatalysator.

In Fig. 1 bezeichnet 10 einen Verbrennungsmotor, dessen Ab­ gase über eine einen katalytischen Konverter bzw. Katalysator 14 enthaltende Abgasleitung 12 abgeführt werden. Auf dem größten Teil der Strecke zwischen dem Motor 10 und dem Kata­ lysator 14 wird die Abgasleitung 12 durch zwei parallele Zweige 12a und 12b gebildet. Im Zweig 12a befindet sich ein Absperrventil 16. Ist dieses Ventil 16 geschlossen, werden die Abgase nur über den Zweig 12b, der innerhalb oder außer­ halb des Zweigs 12a verlaufen kann, dem Katalysator 14 zuge­ führt.

Wie nachfolgend noch näher erläutert wird, ist der Leitungs­ zweig 12a derart gestaltet, daß er eine Wärmeabgabe an die Umgebung begünstigt, während der Leitungszweig 12b nach Mate­ rialwahl, Fließquerschnitt und Anordnung einen Wärmeverlust des ihn durchströmenden Abgases möglichst wirkungsvoll ver­ hindern soll.

Das Ventil 16 ist durch eine nicht dargestellte Steuerung, die direkt oder indirekt die Abgastemperatur des Motors 10 und/oder die Temperatur im Bereich des Katalysators 14 anzei­ gende Betriebsparameter des Systems verarbeitet, so gesteu­ ert, daß das Ventil 16 geschlossen ist, wenn am Katalysator zur Erlangung oder Aufrechterhaltung der vollen Wirksamkeit Wärmebedarf besteht. Dies ist nach einem Kaltstart und in der Regel auch dann der Fall, wenn aufgrund der Betriebsbe­ dingungen die Abgastemperatur unter die für die katalytische Funktion des Konverters erforderliche Temperatur absinkt, weshalb dieser Betriebszustand hier vereinfachend als "Teil­ last" bezeichnet wird, während andere Betriebszustände "Vol­ last" genannt werden. Wenn Wärmebedarf besteht, wird das Ab­ gas bei geschlossenem Ventil 16 über den Leitungszweig 12b geführt, damit der Wärmeinhalt des Abgases möglichst verlust­ frei zur Erwärmung des Katalysators 14 genutzt werden kann. Der Leitungszweig 12b wird deshalb nachfolgend als "Teillast­ rohr" und der Leitungszweig 12a als "Vollastrohr" bezeichnet.

Die Fig. 2a zeigt eine Abgasleitung, wie sie bereits bekannt ist, um Wärmeverluste des Abgases zu verhindern. Der Abgas­ krümmer 13 und der anschließende, zum Katalysator 14 führende Leitungsabschnitt 15 sind jeweils doppelwandig mit Außenrohr 13a bzw. 15a und einem Innenrohr 13b bzw. 15b ausgeführt, wo­ bei das Abgas im dünnwandigen Innenrohr 13b bzw. 15b geführt wird und der Ringraum zwischen Außenrohr 13a und 15a einer­ seits und Innenrohr 13b bzw. 15b andererseits nicht durch­ strömt wird und als Isolierspalt dient.

Wie bereits einleitend erläutert wurde, kann das Teillastrohr 12b einen wesentlich geringeren Querschnitt aufweisen als das erfindungsgemäße Vollastrohr 12a, so daß das Teillastrohr 12b - wie es die Fig. 2b zeigt - im Inneren des Vollastrohrs 12a angeordnet werden kann. Im Gegensatz zu der bereits bekann­ ten, in Fig. 2a gezeigten Bauart ist dabei der Querschnitt des Teillastrohrs 12b wesentlich kleiner als der Querschnitt des äußeren, das Teillastrohr 12b umhüllenden Vollastrohrs 12a und das Teillastrohr 12b ist z. B. exzentrisch im Vollast­ rohr 12a derart angeordnet, daß es mit Abstand von einer Längsmittelebene und der Innenwandung des Vollastrohrs 12a verläuft. Dadurch kann das Steuerventil 16 als einfache Dreh­ klappe 18 ausgeführt werden, deren Drehachse 20 in dieser Diametralebene verläuft und die in Schließstellung den Quer­ schnitt des Vollastrohrs 12a abdecken kann. Der in dieser Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs 12b abdeckende Bereich der Drehklappe 18 ist mit einer Durch­ brechung 22 versehen, so daß das Abgas allein über das Teil­ lastrohr 12b strömen kann.

Bei der in Fig. 2b gezeigten Anordnung wird der bisherige, doppelwandige Abgaskrümmer 13 verwendet und das erfindungs­ gemäß ausgebildete Abgasrohr mit Vollastrohr 12a und Teil­ lastrohr 12b schließt sich an Stelle des Leitungsabschnitts 15 an den Krümmer 13 an. Um die Öffnungsbewegung der Dreh­ klappe 18 nicht zu behindern, ist sowohl das Ende des Abgas­ krümmers 13, als auch das Ende des Vollastrohrs 12a mit einem Ausschnitt versehen, der jeweils um eine der Dicke der Dreh­ klappe 18 entsprechende Länge über die durch die Drehachse 20 bestimmte Diametralebene hinausgeführt ist. In geschlossener Stellung liegt die Drehklappe 18 an dem nicht ausgeschnitte­ nen Abschnitt des Krümmers 13 und dem Teillastrohr 12b an.

Die Fig. 2c zeigt eine Variante, bei welcher sich das Vollastrohr 12a in einem Abgaskrümmer 13a mit einfacher Wan­ dung fortsetzt und das Teillastrohr 12b in diesen Krümmer 13a hineingeführt ist und sich in diesem in einem Abschnitt 13b verzweigt. In diesem Fall ist das Ventil 16 an dem dem Kata­ lysator 14 zugewandten Ende der Rohre 12a und 12b angeordnet.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2b und 2c mündet das Teillastrohr 12b in eine trichterförmige Erweiterung des Vollastrohrs 12a, so daß der Katalysator 14 voll mit dem aus dem Teillastrohr 12b austretenden Abgas beaufschlagt wird. Bei der in Fig. 3 gezeigten Variante endet das Teillastrohr 12b unmittelbar vor dem Katalysator 14, so daß bei Teillast­ betrieb, wenn das Ventil 16 geschlossen ist, nur ein Teil­ querschnitt des Katalysators 14 von dem allein aus dem Teil­ lastrohr 12b austretenden Abgas beaufschlagt und dadurch schneller auf die Wirkungstemperatur gebracht wird. Wie er­ wähnt, kann der Querschnitt des Teillastrohrs 12b relativ zum Querschnitt des Vollastrohrs 12a sehr klein gehalten werden. Damit ein für eine wirksame Abgasentgiftung ausreichender Querschnitt des Katalysators beaufschlagt wird, ist der Mün­ dungsbereich des Teillastrohrs 12b trichterförmig bis auf den gewünschten Querschnitt erweitert.

Die Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung, jedoch ist hier mit der erweiterten Mündung des Teillastrohrs 12b ein Vorkataly­ sator 24 verbunden, der in einem Abstand vom Hauptkatalysator 14 im Vollastrohr 12a angeordnet ist.

Bei der Variante nach Fig. 5 ist ebenfalls ein Vorkatalysator 24 vorgesehen, jedoch ist dieser mit Abstand von der Mündung des Teillastrohrs 12b im Vollastrohr 12a angeordnet, so daß er stets von der gesamten in der Abgasleitung 12 abströmenden Abgas beaufschlagt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung zeigt die Fig. 6. Der Vorkatalysator 24 ist dabei - wie in Fig. 4 - mit dem Ende des Teillastrohrs 12b verbunden, das sich vor dem Vor­ katalysator 24 trichterförmig erweitert, und besitzt einen kleineren Querschnitt als der ihn umschließende Abschnitt des Vollastrohrs 12a. Der Hauptkatalysator 14 schließt sich di­ rekt an das Ende des Vorkatalysators 24 an und füllt das Vollastrohr 12a vollständig aus. Vor der trichterförmigen Erweiterung des Teillastrohrs 12b ist dieses an seinem Umfang mit einer Reihe von Durchbrechungen 25 versehen. Durch diese Anordnung entsteht durch Venturiwirkung ein Sog im Bereich der Durchbrechungen 25, der eine Rückströmung des aus dem Hauptkatalysator 14 austretenden Abgases über die Randzone des Hauptkatalysators 14, die dadurch bereits im Teillastbe­ trieb vorgeheizt wird, und zurück in das Teillastrohr 12b verursacht, während der innere Bereich des Katalysators 14 stärker aufgeheizt wird.

Die Fig. 7 zeigt eine Übersicht über ein Abgassystem mit der bereits anhand der Fig. 2c erläuterten Variante, wobei noch einige zusätzliche, die schnelle Aufheizung des Systems för­ dernde Vorkehrungen dargestellt sind, nämlich ein Drosselven­ til 26 oder 28, ein Wärmetauscher 30 und ein vorzugsweise als Latentwärmespeicher ausgebildeter Wärmespeicher 32.

Durch Schließen eines in der Abgasleitung 12 parallel zu ei­ nem Bypass 34 angeordneten Ventils 26 kann das Abgas über einen im Bypass 34 angeordneten Wärmetauscher 30 geleitet werden, so daß die noch vorhandene Abfallwärme z. B. über den Kühlwasserkreislauf oder eine Luft- bzw. Gemischvorwärmung dem Motor 10 zugeführt werden kann. Durch die Rückgewinnung der Abfallwärme kann der Kraftstoffverbrauch des Motors im Teillastbetrieb um 10 bis 20% gesenkt werden, wobei die Lei­ stung der Kabinenheizung ansteigen kann. Die Wirkung kann noch durch den Einsatz des Drosselventils 28 gesteigert wer­ den, und zwar sowohl durch Förderung des Wärmeübergangs im Wärmetauscher 30, als auch durch den im Motor 10 wirkenden Rückstau. Gegebenenfalls kann auch das Ventil 26 als Dros­ selventil mit Rückwirkung auf den Motor 10 eingesetzt werden, wenn der Wärmetauscher 30 nicht eingesetzt werden soll.

Das Kühlmittelsystem des Motors 10 ist schematisch darge­ stellt und mit 36 bezeichnet. Ihm ist ein Latentwärmespeicher 32 zugeordnet, der bei Wärmemangel Wärme an den Motor 10 ab­ geben kann, sowie der übliche Wärmetauscher 38 zur Kabinen­ heizung.

Bei der in Fig. 8 gezeigten Variante verläuft das Teillast­ rohr 12b zumindest teilweise außerhalb des Vollastrohrs 12a, um in diesem Abschnitt den Vorkatalysator 24 und ein auf die­ sen folgendes Ventil 28 aufzunehmen. Dadurch kann der Vor­ katalysator 24 sehr nahe an den Motor 10 herangerückt werden, was die schnelle Aufheizung fördert. Um nicht vom Heißgas durchströmt zu werden, kann er durch das Ventil 28 abgeschal­ tet werden.

Claims (33)

1. Verfahren zur Reduzierung der Abgasemissionen von Verbrennungsmotoren, insbesondere Kraftfahrzeugmotoren, mit Abgaskatalysatoren, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Mo­ tor und Katalysator die Abgase abhängig vom Betriebszustand des Systems auf hinsichtlich ihrer thermischen Rückwirkung auf die Abgase unterschiedlich gestalteten Leitungswegen ge­ führt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Betriebszuständen mit Wärmemangel die Abgase zwischen Motor und Katalysator zumindest überwiegend ein Teillastrohr durchfließen, das zur Erzielung einer möglichst hohen Abga­ stemperatur am Katalysatoreintritt ausgelegt ist, und daß bei Betriebszuständen mit Wärmeüberschuß die Abgase zwischen Mo­ tor und Katalysator zumindest überwiegend ein Vollastrohr durchfließen, dessen Erstreckung zwischen Motor und Katalysa­ tor und dessen Ausbildung derart ist, daß bei Vollast und maximaler Drehzahl die Temperatur der den Katalysator durch­ fließenden Abgase so niedrig ist, daß Wärmeschäden am Kataly­ sator vermieden werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgase entweder nur das Teillastrohr, oder aber das Teillastrohr und das Vollastrohr gemeinsam durchströmen.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die das Teillastrohr durchfließenden Abgase über einen Vorkatalysator geführt werden.

5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 mit einer an die Abgasauslässe eines Verbrennungsmo­ tors (10) anschließbaren Abgasleitung (12) und einem aus der Abgasleitung beaufschlagbaren Katalysator (14), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Abgasleitung (12) zwischen dem Verbren­ nungsmotor (10) und dem Katalysator (14) zumindest über einen Teil ihrer Länge in ein gegen Wärmeverluste abgeschirmtes Teillastrohr (12b) und ein im Wärmetausch mit der Umgebung stehendes Vollastrohr (12a) unterteilt ist und daß zur Steue­ rung der Beaufschlagung des Vollastrohrs (12a) und des Teil­ lastrohrs (12b) mindestens ein in Abhängigkeit von Betriebs­ parametern des Systems steuerbares Ventil (16) vorgesehen ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teillastrohr (12b) im Inneren eines Vollastrohrs (12a) verläuft.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) wärmeisoliert ist.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) einen wesentlich kleineren Querschnitt aufweist als das Vollastrohr (12a).

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Teillastrohrs (12b) um den Faktor 10 bis 100 kleiner ist als der Querschnitt des Vollastrohrs (12a).

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Vollastrohr (12a) durch das Ventil (16) absperrbar ist.

11. Anordnung nach den Ansprüchen 6 und 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventil (16) eine im Querschnittsbereich eines Endes des Teillastrohrs (12b) angeordnete, in Schließ­ stellung das Vollastrohr (12a) sperrende Ventilklappe (18) umfaßt, die eine in Schließstellung den Strömungsquerschnitt des Teillastrohrs (12b) freihaltende Durchbrechung (22) auf­ weist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) motorseitig mit einem verzweigten Ende (13b) bis in die Verzweigungen (13a) des einen Abschnitt des Vollastrohrs (12a) bildenden Abgas­ krümmers geführt ist und daß das Ventil (16) am Ende des Teillastrohrs (12b) angeordnet ist.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) bis unmittelbar vor den Katalysator (14) geführt ist.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündung des Teillastrohrs (12b) vor dem Katalysator (14) erweitert ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß dem als Hauptkatalysator dienenden Kata­ lysator (14) stromauf ein Vorkatalysator (224) vorgeschaltet ist.

16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) im Strömungsweg der das Teillast­ rohr (12b) durchströmenden Abgase angeordnet ist.

17. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) an das stromab gelegenen Ende des Teillastrohrs (12b) angeschlossen ist.

18. Anordnung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorkatalysator (24) auf das stromab gelegenen Ende des Teillastrohrs (12b) folgend im Vollastrohr (12a) angeord­ net ist.

19. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Hauptkatalysators (14) das Vollast­ rohr (12a) ausfüllt und größer ist als der Querschnitt des Vorkatalysators (24), daß der Hauptkatalysator (14) sich di­ rekt an den Vorkatalysator (24) anschließt, daß sich das Teillastrohr (12b) im Inneren des Vollastrohrs (12a) auf den Querschnitt des Vorkatalysators (24) trichterförmig erweitert und vor dieser Erweiterung an seinem Umfang mit Durchbrechun­ gen (25) versehen ist.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) eine geringe spe­ zifische Wärmekapazität aufweist.

21. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) sehr dünnwandig ausgebildet ist.

22. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist.

23. Anordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Teillastrohr (12b) aus Edelstahl mit hohem Nickelan­ teil besteht.

24. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Teillastrohrs (12b) so bemessen wird, daß bei einem vorgegebenen Betriebszustand der durch das Teillastrohr (12b) verursachte Rückstau einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet.

25. Anordnung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Drehzahl von 2500 U/min und einem Lastfaktor 0,7 der durch das Teillastrohr (12b) verursachte Rückstau 0,5 bar nicht überschreitet.

26. Anordnung nach einem der Ansprüche 24 oder 25, da­ durch gekennzeichnet, daß einer der Betriebsparameter zur Steuerung des Ventils (16) der Staudruck am Teillastrohr (12b) ist, derart, daß beim Überschreiten eines vorgegebenen Staudrucks das Ventil (16) geöffnet wird.

27. Anordnung nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (16) zugleich als Überdruckventil mit ein­ stellbarer Öffnungsschwelle ausgebildet ist.

28. Anordnung nach einem der Ansprüche 26 und 27, da­ durch gekennzeichnet, daß der vorgegebene Schwellenwert für die Öffnung des Ventils (16) 0,6 bar ist.

29. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß sich ein Stauventil (26, 28) im Weg der das Teillastrohr (12b) durchfließenden Abgase befindet.

30. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß dem Motor (10) zur Aufheizung ein Latent­ wärmespeicher (32) zugeordnet ist.

31. Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß in die Abgasleitung (12) stromab vom Ka­ talysator (14) zur Nutzung der Abfallenergie für die Aufhei­ zung des Systems ein Abgaswärmetauscher (30) einbezogen ist.

32. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in einem außerhalb des Vollastrohrs (12a) verlaufenden Abschnitt des Teillastrohrs (12b) ein Vorkatalysator (24) und ein Absperrventil (28) angeordnet ist.

33. Anordnung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß das Absperrventil (28) zugleich als Drosselventil ausge­ bildet ist.